Только что было объявлено, что ученым впервые удалось получить небольшое количество металлического водорода в лабораторных условиях. Это значительный прорыв, который, несомненно, приведет к дальнейшим открытиям, хотя еще предстоит выяснить, какие конкретные практические применения могут возникнуть.
Водород, как известно большинству людей, является газом при привычных температурах и давлениях. Вселенная состоит примерно на 90% из водорода. Свободного водорода на Земле очень мало, поскольку это очень легкий газ, но его много в виде молекул, таких как вода.
В 1935 году физики Юджин Вигнер и Хиллард Белл Хантингтон выдвинули гипотезу, что при экстремальном давлении атомы водорода могут образовывать металл – металлический водород. Точка, в которой это происходит, была названа переходом Вигнера-Хантингтона, что объясняет название недавней статьи. Металлический водород также может быть жидкостью, в которой электроны и протоны свободно перемещаются, или они могут образовывать кристаллическую структуру и быть твердым веществом.
Астрономы предполагают, что ядро Юпитера может состоять из горячего жидкого водорода. Мы знаем, что Юпитер состоит в основном из водорода, и можем рассчитать, что давление в глубине ядра Юпитера должно в миллионы раз превышать давление на поверхности Земли. Согласно теории, этого давления достаточно, чтобы сжать водород в металлическую форму.
Из прямых измерений мы также знаем, что Юпитер обладает очень сильным магнитным полем, которое в 20 000 раз превышает внутреннюю силу и в миллион раз объем слабого магнитного поля Земли. Сильное магнитное поле планеты вызвано вращением проводящего материала. Ядро Земли состоит из жидкого железа. Итак, что же находится в ядре Юпитера, которое генерирует гораздо более мощное магнитное поле? В настоящее время астрономы полагают, что это ядро из жидкого металлического водорода.
Сложность получения металлического водорода на Земле заключается в создании экстремальных давлений. Это то, чего ученые наконец достигли. Они использовали алмазы, давление, превышающее давление в центре Земли (495 ГПа), и чрезвычайно низкую температуру для получения твердого металлического водорода.
Каким бы ошеломляющим ни было это достижение, возможно, более важным является то, что будет дальше. Они постепенно ослабят давление, чтобы посмотреть, что произойдет. Существуют разные теории, но, как говорят авторы (Исаак Сильвера и Ранга Диас), мы можем теоретизировать бесконечно или просто посмотреть, что произойдет. Главный вопрос в том, превратится ли металлический водород в обычный водород или он останется в своем металлическом состоянии?
В лучшем случае твердый металлический водород будет похож на алмазы, которые образуются под высоким давлением, но после образования становятся стабильным твердым веществом. Стабильный твердый металлический водород, вероятно, был бы сверхпроводником и (если бы его можно было производить в больших количествах) мог бы использоваться для многих электрических применений.
Другая возможность заключается в том, что металлический водород метастабилен при комнатной температуре. Это означает, что он находится в равновесии, но все равно будет испаряться с поверхности, превращаясь в газообразный водород. Метастабильному металлическому водороду предлагается два интересных применения.
Первое – в качестве ракетного топлива. Когда металлический водород превращается в газообразный водород, он сильно расширяется, и его можно сжигать с кислородом. В результате будет получено ракетное топливо с удельной энергией, в четыре раза превышающей ту, которая используется в настоящее время в качестве лучшего топлива. Это звучит не так уж и много, но это может революционизировать космические полеты. Мы могли бы выводить на орбиту более тяжелые грузы с меньшим количеством ступеней.
Второе возможное применение – в термоядерных реакторах. В настоящее время предпринимаются усилия по созданию управляемого термоядерного синтеза водорода для устойчивого производства экологически чистой энергии. Если бы мы могли спроектировать и построить действующий термоядерный реактор, это значительно изменило бы ситуацию в нашей энергетической инфраструктуре. Есть некоторые предположения, что металлический водород дейтерий может помочь в достижении термоядерного синтеза при более низких давлениях, чем для обычного водорода.
В настоящее время перед нами стоят два важных вопроса, которые определят, останется ли металлический водород предметом изучения в лабораториях или его можно будет использовать для практических целей: что произойдет, когда давление снизится, и возможно ли его массовое производство?
